基于PC的數(shù)字電視白平衡測(cè)量調(diào)整儀設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于PC的白平衡自動(dòng)測(cè)量調(diào)整儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理。該系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)發(fā)生、調(diào)整信號(hào)輸出、白場(chǎng)色度測(cè)量均由PC控制，實(shí)現(xiàn)了基于PC的測(cè)控一體化。該測(cè)量調(diào)整儀可用于有I2c接口的數(shù)字電視的白平衡調(diào)整，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整還可用于彩屏手機(jī)和LCD顯示器等的白平衡調(diào)整。

數(shù)字電視的巨大市場(chǎng)為消費(fèi)電子廠家看好，目前已經(jīng)成為各家電廠家的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。在對(duì)TV色彩效果要求愈來(lái)愈高的情況下，白平衡調(diào)整成為TV質(zhì)量控制的必備工 序。與模擬電視不同，數(shù)字電視的白平衡調(diào)整采用不同的方法，因此需要不同的白平衡調(diào)整設(shè)備。本文介紹一種基于PC的白平衡自動(dòng)測(cè)試調(diào)整設(shè)備，該設(shè)備適用于 數(shù)字電視的生產(chǎn)質(zhì)量控制?；谕瑯釉恚こ處熆砷_(kāi)發(fā)適用于彩屏手機(jī)、PDA、可視電話等有顯示色彩質(zhì)量要求的產(chǎn)品的白平衡調(diào)整控制設(shè)備。

基準(zhǔn)白與白平衡調(diào)整

在色度學(xué)上， 常以白色作為標(biāo)準(zhǔn)，作為分解、重現(xiàn)顏色的參考。在彩色電視系統(tǒng)中，攝像端和顯像端都應(yīng)選擇一個(gè)基準(zhǔn)白色，作為傳輸彩色圖像的參考白色。如果電視屏幕上顯示 的白色不等于基準(zhǔn)白，在彩色電視顏色復(fù)現(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的顏色失真。我國(guó)彩色廣播標(biāo)準(zhǔn)和彩色電視接收機(jī)白場(chǎng)色溫及其寬容度標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定選取D65白場(chǎng)色溫 作為分解、傳送、重現(xiàn)彩色電視信號(hào)的基準(zhǔn)白。D65(色溫為6500K，7MPCD，色坐標(biāo)x0=0.313、y0=0.329)是白晝太陽(yáng)光的平均色 溫，基準(zhǔn)白的色度坐標(biāo)誤差超標(biāo)時(shí)會(huì)影響彩色圖像的再現(xiàn)，降低圖像質(zhì)量。因此，要對(duì)偏離的白場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整使之接近標(biāo)準(zhǔn)白，這就是白平衡調(diào)整。彩色電視機(jī)的白平 衡調(diào)整保證彩色電視機(jī)重現(xiàn)不同亮度的彩色圖像時(shí)色溫基本保持不變，不出現(xiàn)附加顏色。

彩色電視機(jī)的白場(chǎng)由紅綠藍(lán)三電子束轟擊熒 光屏上相應(yīng)的三色熒光粉形成，當(dāng)送到彩色顯象管紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三路電壓相等時(shí)產(chǎn)生白色。但由于實(shí)際紅、綠、藍(lán)三個(gè)調(diào)制極的截止電壓不完全相 同，其調(diào)制特性和R、G、B三種熒光粉的發(fā)光效率和色坐標(biāo)與理論值有差異，為此必須進(jìn)行白平衡調(diào)整。白平衡調(diào)整就是通過(guò)使RGB三路輸出電壓不相等使各電 子束電流比例稍微有些差異，從而彌補(bǔ)三電子束和三種熒光粉在性能上的差，見(jiàn)圖1。

現(xiàn)有的模擬電視在生產(chǎn)線上實(shí)際的白平衡調(diào)整 過(guò)程為給被調(diào)彩色電視機(jī)加上半白半黑的白平衡信號(hào)，通過(guò)彩色分析儀或白平衡儀測(cè)量出亮場(chǎng)和暗場(chǎng)的色坐標(biāo)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)色坐標(biāo)的偏差，根據(jù)偏差值同時(shí)調(diào)整五 個(gè)電位器的大小來(lái)改變彩色電視機(jī)的截止電壓和激勵(lì)電壓，使彩色電視機(jī)在這兩個(gè)亮度下的白場(chǎng)與標(biāo)準(zhǔn)白場(chǎng)一致，從而保證在其它亮度下彩色電視機(jī)的白場(chǎng)基本上與 基準(zhǔn)白的白場(chǎng)一致。

數(shù)字電視中的白平衡調(diào)整與模擬式彩電的白平衡調(diào)整不同，它不是調(diào)整電位器，而是通過(guò)I2C總線將調(diào)節(jié)數(shù)據(jù) 送給該電視機(jī)中的微處理器，微處理器接收到調(diào)整數(shù)據(jù)后，改變相關(guān)控制寄存器的值，從而使內(nèi)部有關(guān)控制器件的輸出模擬量大小發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)顯像管的 R、G、B三槍的電流調(diào)節(jié)，達(dá)到白平衡調(diào)整目的。

用于調(diào)整白平衡的數(shù)據(jù)通常有5個(gè), 其中三個(gè)為R、G、B三槍截止電壓控制，另兩個(gè)為束流控制，即激勵(lì)電壓控制。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 是針對(duì)數(shù)字電視的白平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由兩塊PC機(jī)插卡組成，一塊是白場(chǎng)電視信號(hào)發(fā)生器電路，同時(shí)也包含和I2C總線接口的調(diào)節(jié)信號(hào)輸出電路。白 場(chǎng)電視信號(hào)發(fā)生器核心采用飛利浦公司的視頻編碼器IC芯片TDA8501來(lái)生成復(fù)合電視信號(hào)，該板卡中采用12位分辨率的D/A輸出，提供R、G、B輸入 電平給TDA8501。D/A的輸出由PC軟件設(shè)定值控制，可靈活改變使輸出圖像具有任意性，既可產(chǎn)生白場(chǎng)信號(hào)又可產(chǎn)生單色信號(hào)。輸出信號(hào)的亮度也可以選 擇，為單色定標(biāo)提供了方便，通過(guò)改變RGB的值可實(shí)現(xiàn)亮度設(shè)定與跟蹤。另一塊是色度參數(shù)測(cè)量和信號(hào)采集電路，該電路由放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)及 接口電路、RS232通訊接口電路組成，主要完成測(cè)量和定標(biāo)工作。該電路將探頭送來(lái)的電信號(hào)放大，A/D轉(zhuǎn)換后通過(guò)計(jì)算來(lái)得到測(cè)量值。測(cè)量工作由單片機(jī)控 制，同時(shí)單片機(jī)負(fù)責(zé)與主機(jī)通訊，以接受主機(jī)的指令和進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)節(jié)信號(hào)輸出器由I2C控制器PCF8584組成，用于將計(jì)算后得到的5個(gè)白平衡調(diào)節(jié)控制數(shù)據(jù)送上I2C總線，傳給被調(diào)節(jié)彩電。

光探頭采用色度型探頭，由硅光電池制成，它與濾色片配合可將色度信號(hào)轉(zhuǎn)換為與三刺激值成正比的電流信號(hào)，送入信號(hào)采集板。視頻/射頻轉(zhuǎn)換器將信號(hào)發(fā)生器板產(chǎn)生的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，送入電視機(jī)天線入口處。整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)定好后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彩電的在線自動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)。

測(cè)量的基本原理

測(cè)量要用到光輻射學(xué)和色度學(xué)相關(guān)知識(shí)。在顏色測(cè)量中，首要的任務(wù)是測(cè)定色刺激值函數(shù)φ(λ)，實(shí)際上是要測(cè)定被測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分布Pe(λ)。再根據(jù)色度學(xué)的三個(gè)基本方程式求得顏色的三刺激值X、Y和Z為：

EQ1

其中,X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)是CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值函數(shù)，其圖形如圖3示。

在得到了顏色三刺激值之后，可由下式求出該顏色在CIE色度坐標(biāo)系統(tǒng)中的色品坐標(biāo)值：EQ2

本儀器用光電積分法來(lái)測(cè)量，光電積分法是通過(guò)把探測(cè)器的光譜響應(yīng)匹配成所要求的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激曲線，或某一特定的光譜響應(yīng)曲線，來(lái)對(duì)被測(cè)量 的光譜功率進(jìn)行積分測(cè)量。我們選用色度型探頭，用硅光電池來(lái)測(cè)量。硅光電池在零偏置時(shí)，輸出電流與光照成線性關(guān)系,此時(shí)的輸出短路電流為：

EQ3

SI為光電池的靈敏度，E為光照，這樣可測(cè)定被測(cè)光源的相對(duì)光譜功率分布Pe(λ)。事先用濾波片將探頭光譜響應(yīng)匹配成X-(λ)、Y-(λ)、Z-(λ)，這樣經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換，然后此電壓經(jīng)放大器放大再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便得到了與三刺激值X、Y和Z成正比的數(shù)字量，由它可進(jìn)一步計(jì)算出色坐標(biāo)值x、y。

工作過(guò)程和測(cè)控程序

由前面的論述可知，PC白平衡調(diào)整系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)測(cè)量和控制系統(tǒng)。它的工作過(guò)程分為信號(hào)發(fā)生和調(diào)節(jié)、測(cè)量、誤差計(jì)算、反饋調(diào)節(jié)信號(hào)輸出等過(guò)程。

系統(tǒng)上電后，先通過(guò)信號(hào)發(fā)生器給彩電發(fā)出一個(gè)由使用者通過(guò)PC控制軟件設(shè)定亮度值的白場(chǎng)信號(hào)，然后測(cè)量電路就開(kāi)始測(cè)量。

整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量部分分別由三個(gè)亮場(chǎng)和暗場(chǎng)探頭、前置六路放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、89c52微處理器等組成，亮場(chǎng)和暗場(chǎng)探頭由光譜響應(yīng)被匹配成X-(λ)、Y -(λ)、Z-(λ)的探測(cè)器組成。整個(gè)測(cè)量過(guò)程如下：彩色電視機(jī)發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)探頭的光電轉(zhuǎn)換后，生成亮場(chǎng)的Xr、Y、Z和暗場(chǎng)的Xr、Y、Z六路信 號(hào)；系統(tǒng)通過(guò)切換來(lái)控制六路信號(hào)的放大和處理；得到的六路信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到89c52微處理器中；最后通 過(guò)89c52微處理器來(lái)進(jìn)行相關(guān)的色度參數(shù)運(yùn)算，得到該彩色電視機(jī)的各項(xiàng)色度參數(shù)，如亮場(chǎng)和暗場(chǎng)的色坐標(biāo)、亮度、歸一化后的RGB值。

上位PC機(jī)通過(guò)RS232得到當(dāng)前的測(cè)量結(jié)果，如R/G、B/G、G的大小，由精心研究和實(shí)驗(yàn)過(guò)的算法來(lái)決定如何調(diào)節(jié)彩色電視機(jī)顯象管各槍的截止電壓和激勵(lì) 電壓，是增大還是減小各槍的截止電壓和激勵(lì)電壓，從而調(diào)整亮、暗平衡，最后達(dá)到白平衡。這當(dāng)中上位PC機(jī)通過(guò)I2C總線接口來(lái)完成對(duì)彩色電視機(jī)顯象管各槍 的截止電壓和激勵(lì)電壓的控制，也就是通過(guò)I2C總線控制器PCF8584向彩電發(fā)出調(diào)整數(shù)據(jù)。彩電內(nèi)的RGB截止/驅(qū)動(dòng)控制器件TA8889(I2C器 件)接收到調(diào)整數(shù)據(jù)后，即改變控制彩色電視機(jī)顯象管各槍的截止電壓和激勵(lì)電壓的寄存器的值，從而調(diào)整亮、暗平衡。這就是自動(dòng)調(diào)整過(guò)程。測(cè)量前要先定標(biāo)以保 證精度。

本文小結(jié)

本調(diào)整儀的測(cè)試信號(hào)發(fā)生、調(diào)整信號(hào)輸出、白場(chǎng)色度測(cè)量均由PC控制，實(shí)現(xiàn)了基于PC的測(cè)控一體化，讓使用者通過(guò)軟件能在線干預(yù)測(cè)控的全過(guò)程。在彩屏手機(jī)、PDA、可視電話、LCD顯示屏的生產(chǎn)中，同樣存在白平衡調(diào)整問(wèn)題，本測(cè)試儀所用色度測(cè)量原理經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)，也同樣適用。